Please use this identifier to cite or link to this item: http://repositorio.unicamp.br/jspui/handle/REPOSIP/336249
Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Análise de matrizes de rotação para diversidade espacial de sinais e comparação de desempenho e complexidade entre as técnicas MC-CDMA e SCMA
Title Alternative: Rotation matrices for signal space diversity analysis and MC-CDMA versus SCMA performance and complexity comparison
Author: Frison, Celso Iwata, 1984-
Advisor: Almeida, Celso de, 1957-
Abstract: Resumo: A crescente necessidade por sistemas de comunicação sem fio que apresentem maior eficiência espectral e confiabilidade, tem norteado os estudos e as propostas tecnológicas futuras das comunicações. Temáticas como eficiência espectral, múltiplo acesso e algoritmos de detecção de sinais são muito importantes e fazem parte dos estudos propostos pelo 3GPP (Third Generation Partnership Project), para elaboração da quinta geração de sistemas móveis, 5G. Nesse sentido, a fim de colaborar com o futuro das comunicações, uma das vertentes desta tese apresenta contribuições na área de diversidade espacial de sinais (SSD - Signal Space Diversity), técnica essa que permite o aumento da ordem de diversidade do sistema, sem impactar na eficiência espectral do mesmo. A técnica SSD trabalha com constelações rotacionadas. Uma nova métrica de avaliação, denominada métrica K, será usada neste trabalho para a obtenção de parâmetros de rotação ótimos. Em uma das abordagens, serão propostas e avaliadas novas estruturas matriciais de rotação multidimensional. Uma comparação de desempenho, em termos da taxa de erro de bit (BER - Bit Error Rate) média destas matrizes propostas, com estruturas de rotação comumente encontradas na literatura será realizada. Em outra avaliação, por meio de simulação computacional, os parâmetros de rotação ótimos de matrizes de rotação ortogonais em cenários com um único usuário serão obtidos usando a métrica K. Os resultados mostram que os ângulos de rotação ótimos obtidos neste trabalho, apresentam melhor desempenho que os ângulos de rotação encontrados por meio da distância produto mínima (MPD - Minimum Distance Product), métrica essa comumente usada na literatura. Além disso, os resultados apontam que os ângulos de rotação ótimos variam de acordo com as configurações do sistema, sendo que, neste trabalho são avaliados diferentes ordens de modulação QAM, número de dimensões e quantidade de antenas usadas na recepção. Será também realizada uma análise em cenário multiusuário, com o objetivo de verificar o impacto no desempenho devido ao uso de diferentes parâmetros de rotação em cada um dos usuários. Expressões analíticas para auxiliar nessa avaliação serão apresentadas. Será verificado se os parâmetros de rotação encontrados para os cenários com um único usuário, podem ser utilizados por todos os usuários no cenário multiusuário, sem prejuízo de desempenho. Outra contribuição desta tese se refere à comparação realizada entre as técnicas de múltiplo acesso MC-CDMA (Multicarrier Code Division Multiple Access) e SCMA (Sparse Code Multiple Access), usando seus respectivos detectores multiusuários, MU-MLD (Multiuser Maximum Likelihood Detector) implementado via detecção esférica (SD - Sphere Detector) e MPA (Message Passing Algorithm). Nessa análise comparativa serão apresentadas curvas da BER média em função da razão sinal-ruído (SNR - Signal to Noise Ratio) em canais com desvanecimento. Esses resultados serão obtidos por meio de simulações de Monte Carlo. Serão também apresentados os resultados de complexidade dos detectores multiusuário, em termos do número de operações matemáticas, obtidos por meio de expressões analíticas e simulações. Nessas análises será considerado o enlace reverso de sistemas celulares sobrecarregados, ou seja, quando o número de usuários alocados no sistema é maior do que o número de recursos físicos disponíveis. Os resultados mostram que, em mesmas condições de eficiência espectral e sem o uso de códigos corretores de erros, a técnica MC-CDMA apresenta um melhor desempenho em relação à técnica SCMA e que o decodificador SD é menos complexo que o detector MPA

Abstract: The growing necessity for wireless communication systems with greater spectral efficiency and reliability has been guiding the future communication technological proposals. Spectral efficiency, multiple access techniques and signal detection algorithms compose part of the 3GPP (Third Generation Partnership Project) research for the fifth generation of mobile communication systems, 5G. In order to cooperate with the communication development, this thesis presents contributions in the signal spatial diversity (SSD) area, technique that allows to increase the system diversity order without impact its spectral efficiency. The SSD technique uses rotated constellations. Thus, a new metric, named metric K, is used in this thesis in order to obtain the optimum rotation parameters for SSD systems. In addition, new multidimensional rotation matrices are proposed and evaluated in this work. A performance comparison, in terms of the mean bit error rate (BER), of these proposed rotation matrices with others rotation matrices commonly found in the literature is done. Employing the metric K, the optimum rotation parameters used in matrices are obtained by simulation, considering single user scenarios. The results show that the optimum rotation parameters obtained in this work present better performance compared to the rotation parameters obtained by the minimum product distance (MPD) metric, commonly used in the literature. Our analysis evidences that the optimum rotation parameters vary according to the system parameters, that is, the M-QAM modulation order, the number of dimensions and the number of antennas used at the receiver. Another analysis is done for a multiuser scenario. In this case, the performance impact due to the use of different rotation parameters for each user is evaluated. Matrix expressions to emulate the received signals in a multiuser scenario are also presented. Due to the high complexity to obtain the optimum rotation parameters for a multiuser scenario, we also evaluate if the single user optimum rotation parameters can be used by all the users in the multiuser scenario. Another thesis contribution is related to multicarrier code division multiple access (MC-CDMA) and sparse code multiple access (SCMA). Specifically, a performance comparison is carried out considering their respective multiuser detectors, that is the multiuser maximum likelihood detector (MU-MLD) implemented via sphere decoder (SD) for MC-CDMA and the message passing algorithm (MPA) for SCMA. The performance results are shown in terms of mean BER as a function of the signal to noise ratio (SNR) in fading channels, and they are obtained via Monte Carlo simulations. In addition, the multiuser detectors complexity, in terms of the mean number of mathematical operations, is obtained by simulation and also by analytics expressions. In these analysis, an overloaded uplink mobile system is considered, that is, the number of simultaneous active users is greater than the number of available physical resources. The results show that, in the same spectral efficiency conditions, the MC-CDMA technique presents better performance than SCMA technique and the SD multiuser decoder is less complex than the MPA detector
Subject: Sistemas de telefonia celular
Acesso múltiplo por divisão de código
Multiplexação por divisão de frequência ortogonal
Matriz de rotação
Probabilidade de erro (Matemática)
Language: Português
Editor: [s.n.]
Citation: FRISON, Celso Iwata. Análise de matrizes de rotação para diversidade espacial de sinais e comparação de desempenho e complexidade entre as técnicas MC-CDMA e SCMA. 2019. 1 recurso online (158 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Campinas, SP. Disponível em: http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/336249. Acesso em: 6 Jan. 2021.
Date Issue: 2019
Appears in Collections:FEEC - Tese e Dissertação

Files in This Item:
File SizeFormat 
Frison_CelsoIwata_D.pdf4.99 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.